第 5 章 機(jī)械零件毛坯的選擇機(jī)械零件的制造包括毛坯成形和切削加工兩個(gè)階段，毛坯成形不僅對(duì)后續(xù)的切削加工產(chǎn)生很大的影響，而且對(duì)零件乃至機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、使用性能、生產(chǎn)周期和成本等都有影響。因此，正確選擇毛坯的類(lèi)型和生產(chǎn)方法對(duì)于機(jī)械制造具有重要意義。本章將著重介紹毛坯選擇的原則及典型機(jī)械零件毛坯的選擇。5.1 毛坯選擇的原則機(jī)械零件常用的毛坯類(lèi)型有鑄件、鍛件、軋制型材、擠壓件、沖壓件、焊接件、粉末冶金件和注射成型件等，每種類(lèi)型的毛坯都可以有多種成形方法，在選擇時(shí)我們遵循的原則是：在保證毛坯質(zhì)量的前提下，力求選用高效、低成本、制造周期短的毛坯生產(chǎn)方法。一般毛坯選擇步驟是：首先由設(shè)計(jì)人員提出毛坯材料和加工后要達(dá)到的質(zhì)量要求，然后再由工藝人員根據(jù)零件圖、生產(chǎn)批量，并綜合考慮交貨期限及現(xiàn)有可利用的設(shè)備、人員和技術(shù)水平等選定合適的毛坯生產(chǎn)方法。具體要考慮的因素有以下幾方面：5.1.1 滿(mǎn)足材料的工藝性能要求金屬是制造機(jī)械零件的主要材料，一旦材料確定后，其材料的工藝性能就是影響毛坯成形的重要因素，表5.1.1給出了常用金屬材料所適用的毛坯生產(chǎn)方法。表5.1.1 常用材料的毛坯生產(chǎn)方法 材料毛坯生產(chǎn)方法低碳鋼中碳鋼高碳鋼灰鑄鐵鋁合金銅合金不銹鋼工模具具鋼鋼塑料橡膠砂型鑄造金屬型鑄造壓力鑄造熔模鑄造鍛造冷沖壓粉末冶金焊接擠壓型材冷拉型材備注可壓制及吹塑可壓制注：表中“”表示材料適宜或可以采用的毛坯生產(chǎn)方法。5.1.2 滿(mǎn)足零件的使用要求零件的使用要求主要包括零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸要求、零件的工作條件（通常指零件的受力情況、工作環(huán)境和接觸介質(zhì)等）以及對(duì)零件性能的要求等。1. 結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的要求 機(jī)械零件由于使用功能不同，其結(jié)構(gòu)形狀和尺寸往往差異較大，各種毛坯生產(chǎn)方法對(duì)零件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的適應(yīng)能力也不相同，所以選擇毛坯時(shí)，應(yīng)認(rèn)真分析零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸特點(diǎn)，選擇與之相適應(yīng)的毛坯制造方法。對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的中小型零件，為了使毛坯形狀與零件較為接近，應(yīng)先確定以鑄件作為毛坯，然后再根據(jù)使用性能要求等選擇砂型鑄造、金屬型鑄造或熔模鑄造。對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀很復(fù)雜且輪廓尺寸不大的零件，宜選擇熔模鑄造；對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，且抗沖擊能力、抗疲勞強(qiáng)度要求較高的中小型零件，宜選擇模鍛件毛坯；對(duì)于那些結(jié)構(gòu)形狀相當(dāng)復(fù)雜且輪廓尺寸又較大的零件，宜選擇組合毛坯。2. 力學(xué)性能的要求 對(duì)于力學(xué)性能要求較高，特別是工作時(shí)要承受沖擊和交變載荷的零件，為了提高抗沖擊和抗疲勞破壞的能力，一般應(yīng)選擇鍛件，如機(jī)床、汽車(chē)的傳動(dòng)軸和齒輪等；對(duì)于由于其它方面原因需采用鑄件的，但又要求零件的金相組織致密、承載能力較強(qiáng)的零件，應(yīng)選擇相應(yīng)的能滿(mǎn)足要求的鑄造方法，如壓力鑄造、金屬型鑄造和離心鑄造等。3. 表面質(zhì)量的要求 為降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品上的某些非配合表面有盡量不加工的趨勢(shì)，即實(shí)現(xiàn)少、無(wú)切屑加工。為保證這類(lèi)表面的外觀質(zhì)量，對(duì)于尺寸較小的有色金屬件，宜選擇金屬型鑄造、壓力鑄造或精密模鍛；對(duì)于尺寸較小的鋼鐵件，則宜選擇熔模鑄造（鑄鋼件）或精密模鍛（結(jié)構(gòu)鋼件）。4. 其它方面的要求 對(duì)于具有某些特殊要求的零件，必須結(jié)合毛坯材料和生產(chǎn)方法來(lái)滿(mǎn)足這些要求。例如，某些有耐壓要求的套筒零件，要求零件金相組織致密，不能有氣孔、砂眼等缺陷，則宜選擇型材（如液壓油缸常采用無(wú)縫鋼管）；如果零件選材為鑄鐵，則宜選擇離心鑄造（如內(nèi)燃機(jī)的汽缸套，其材料為QT6002，毛坯即為離心鑄造鑄件），對(duì)于在自動(dòng)機(jī)床上進(jìn)行加工的中小型零件，由于要求毛坯精度較高，故宜采用冷拉型材，如微型軸承的內(nèi)、外圈是在自動(dòng)車(chē)床上加工的，其毛坯采用冷拉圓鋼。5.1.3滿(mǎn)足降低生產(chǎn)成本的要求要降低毛坯的生產(chǎn)成本，必須認(rèn)真分析零件的使用要求及所用材料的價(jià)格、結(jié)構(gòu)工藝性、生產(chǎn)批量等各方面情況。首先，應(yīng)根據(jù)零件的選材和使用要求確定毛坯的類(lèi)型，再根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小和毛坯的結(jié)構(gòu)工藝性及生產(chǎn)批量大小確定具體的生產(chǎn)方法，必要時(shí)還可按有關(guān)程序?qū)υO(shè)計(jì)提出修改意見(jiàn)，以利于降低毛坯生產(chǎn)成本。1. 生產(chǎn)批量較小時(shí)的毛坯選擇 生產(chǎn)批量較小，毛坯生產(chǎn)的生產(chǎn)率不是主要問(wèn)題，材料利用率的矛盾也不太突出，這時(shí)應(yīng)主要考慮的是減少設(shè)備、模具等方面的投資，即使用價(jià)格比校便宜的設(shè)備和模具，以降低生產(chǎn)成本。如使用型材、砂型鑄造件、自由鍛件、胎模鍛件、焊接結(jié)構(gòu)件等作為毛坯。2. 生產(chǎn)批量較大時(shí)的毛坯選擇 生產(chǎn)批量較大，提高生產(chǎn)率和材料的利用率，降低廢品率，對(duì)降低毛坯的單件生產(chǎn)成本將具有明顯的經(jīng)濟(jì)意義。因此，應(yīng)采用比較先進(jìn)的毛坯制造方法來(lái)生產(chǎn)毛坯。盡管此時(shí)的設(shè)備造價(jià)昂貴、投資費(fèi)用高，但分?jǐn)偟絾蝹€(gè)毛坯上的成本是較低的，并由于工時(shí)消耗、材料消耗及后續(xù)加工費(fèi)用的減少和毛坯廢品率的降低，從而有效地降低毛坯生產(chǎn)成本。5.1.4符合生產(chǎn)條件為了兼顧零件的使用要求和生產(chǎn)成本兩個(gè)方面，在選擇毛坯時(shí)還必須與本企業(yè)的具體生產(chǎn)條件相結(jié)合。當(dāng)對(duì)外訂貨的價(jià)格低于本企業(yè)生產(chǎn)成本，且又能滿(mǎn)足交貨期要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)向外訂貨，以降低成本。還要認(rèn)真分析以下三方面的情況：1 當(dāng)代毛坯生產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)，在不脫離我國(guó)國(guó)情及本廠實(shí)際的前提下，盡量采用比較先進(jìn)的毛坯生產(chǎn)技術(shù)；2 產(chǎn)品的使用性能和成本方面對(duì)毛坯生產(chǎn)的要求；3 本廠現(xiàn)有毛坯生產(chǎn)能力狀況，包括生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)力量（含工程技術(shù)人員和技術(shù)工人）、廠房等方面的情況?？傊?，毛坯選擇應(yīng)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益。5.2 典型零件的毛坯選擇根據(jù)毛坯的選擇原則，下面分別介紹軸桿類(lèi)、盤(pán)套類(lèi)和機(jī)架箱體類(lèi)等典型零件的毛坯的選擇方法。圖5.2.1 軸桿類(lèi)零件5.2.1軸桿類(lèi)零件的毛坯選擇軸桿類(lèi)零件是機(jī)械產(chǎn)品中支承傳動(dòng)件、承受載荷、傳遞扭矩和動(dòng)力的常見(jiàn)典型零件，其結(jié)構(gòu)特征是軸向（縱向）尺寸遠(yuǎn)大于徑向（橫向）尺寸，包括各種傳動(dòng)軸、機(jī)床主軸、絲杠、光杠、曲軸、偏心軸、凸輪軸、齒輪軸、連桿、搖臂、螺栓、銷(xiāo)子等，如圖5.2.1所示。軸類(lèi)零件最常用的毛坯是型材和鍛件，對(duì)于某些大型的、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的軸也可用鑄件或焊接結(jié)構(gòu)件。對(duì)于光滑的或有階梯但直徑相差不大的一般軸，常用型材（即熱軋或冷拉圓鋼）作為毛坯。對(duì)于直徑相差較大的階梯軸或要承受沖擊載荷和交變應(yīng)力的重要軸，均采用鍛件作為毛坯。當(dāng)生產(chǎn)批量較小時(shí)，應(yīng)采用自由鍛件；當(dāng)生產(chǎn)批量較大時(shí)，應(yīng)采用模鍛件。對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的大型軸類(lèi)零件，其毛坯可采用砂型鑄造件、焊接結(jié)構(gòu)件或鑄一焊結(jié)構(gòu)毛坯。下面舉例說(shuō)明幾種軸桿類(lèi)零件毛坯的選擇：例1 如圖5.2.2所示為減速器傳動(dòng)軸，工作載荷基本平衡，材料45鋼，小批量生產(chǎn)。由于該軸工作時(shí)不承受沖擊載荷，工作性質(zhì)一般，且各階梯軸徑相差不大，因此，可選用熱軋圓鋼作為毛坯。下料尺寸為45×220。減速器傳動(dòng)軸的加工路線(xiàn)可設(shè)計(jì)為：熱軋棒料下料一粗加工一調(diào)質(zhì)處理一精加工一磨削。圖5.2.2 減速器傳動(dòng)軸例2 如圖5.2.3所示為磨床砂輪主軸，生產(chǎn)批量中等。砂輪主軸主要用于傳遞動(dòng)力。該零件精度要求高，工作中將承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等載荷，要求具有較高的強(qiáng)度；同時(shí),砂輪主軸與滑動(dòng)軸承相配合,由于主軸轉(zhuǎn)速高容易導(dǎo)致軸頸與軸瓦磨損，故要求軸頸具有較高的硬度和耐磨性；另外，砂輪在裝拆過(guò)程中易使外圓錐面拉毛，影響加工精度，所以要求這些部位具有一定的耐磨性。根據(jù)以上要求，材料選擇為65Mn，毛坯采用模鍛件。圖5.2.3磨床主軸簡(jiǎn)圖砂輪主軸的加工路線(xiàn)設(shè)計(jì)為：下料一鍛造一退火一粗加工一調(diào)質(zhì)處理一精加工一表面淬火一粗磨一低溫人工時(shí)效一精磨。退火的目的是消除鍛造應(yīng)力及組織不均勻性，降低硬度，改善加工性。調(diào)質(zhì)處理是為了提高主軸的綜合性能，以滿(mǎn)足心部的強(qiáng)度要求，同時(shí)在表面淬火時(shí)能獲得均勻的硬化層。表面淬火是為了使軸頸和外圓錐部分獲得高硬度，提高耐磨性。人工時(shí)效的作用是進(jìn)一步穩(wěn)定淬硬層組織和消除磨削應(yīng)力，以減少主軸的變形。圖5.2.4 汽車(chē)排氣閥示意圖例3 如圖5.2.4所示為汽車(chē)排氣閥的外形簡(jiǎn)圖。該零件在高溫狀態(tài)下工作，要求材料為耐熱鋼，大批量生產(chǎn)。在保證滿(mǎn)足零件的使用要求的前提下，為節(jié)約較貴重的耐熱鋼，故采用焊接件毛坯。閥桿部分采用耐熱鋼，閥帽部分采用碳素結(jié)構(gòu)鋼，焊接方法采用電阻焊。 5.2.2盤(pán)套類(lèi)零件的毛坯選擇圖5.2.5 盤(pán)套類(lèi)零件盤(pán)套類(lèi)零件是指直徑尺寸較大而長(zhǎng)度尺寸相對(duì)較小的回轉(zhuǎn)體零件（一般長(zhǎng)度與直徑之比小于1），如圖5.2.5所示。屬于這類(lèi)零件的有各種齒輪、帶輪、飛輪、聯(lián)軸節(jié)、套環(huán)、軸承環(huán)、端蓋及螺母、墊圈等。盤(pán)類(lèi)零件由于其用途不同，所用的材料也不相同，毛坯生產(chǎn)方法也較多。下面主要討論幾種盤(pán)套類(lèi)零件的毛坯選擇問(wèn)題。1. 帶輪的毛坯選擇 帶輪是通過(guò)中間撓性件（各種帶）來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的，一般載荷比較平穩(wěn)。因此，對(duì)于中小帶輪多采用HT150制造，故其毛坯一般采用砂型鑄造，生產(chǎn)批量較小時(shí)用手工造型；生產(chǎn)批量較大時(shí)可采用機(jī)器造型；對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸很大的帶輪，為減輕重量可采用鋼板焊接毛坯。2鏈輪的毛坯選擇 鏈輪是通過(guò)鏈條作為中間撓性件來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的，其工作過(guò)程中的載荷有一定的沖擊，且鏈齒的磨損較快。鏈輪的材料大多使用鋼材，最常用的毛坯為鍛件。單件小批生產(chǎn)時(shí)，采用自由鍛造；生產(chǎn)批量較大時(shí)使用模鍛；對(duì)于新產(chǎn)品試制或修配件，亦可使用型材；對(duì)于齒數(shù)大于50的從動(dòng)鏈輪也可采用強(qiáng)度高于HT150的鑄鐵，其毛坯可采用砂型鑄造，造型方法視生產(chǎn)批量決定。3 圓柱齒輪的毛坯選擇齒輪的毛坯選擇取決于齒輪的選材、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、使用條件及生產(chǎn)批量等因素。對(duì)于鋼制齒輪，如果尺寸較小且性能要求不高，可直接采用熱軋捧料，除此之外，一般都采用鍛造毛坯。生產(chǎn)批量較小或尺寸較大的齒輪采用自由鍛造；生產(chǎn)批量較大的中小尺寸齒輪采用模鍛。對(duì)于直徑比較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的不便于鍛造的齒輪，采用鑄鋼毛坯或焊接組合毛坯。5.2.6車(chē)床主軸箱中三聯(lián)滑動(dòng)齒輪簡(jiǎn)圖例1 機(jī)床齒輪 一般來(lái)說(shuō)，機(jī)床齒輪載荷不大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，工作條件好，故對(duì)齒輪的耐磨性及沖擊韌度要求不高，材料選用中碳鋼，用熱軋圓鋼作為毛坯。圖5.2.6為C6201車(chē)床主軸箱中軸上的三聯(lián)滑動(dòng)齒輪簡(jiǎn)圖，該齒輪主要用來(lái)傳遞動(dòng)力并改變轉(zhuǎn)速，通過(guò)撥動(dòng)箱外手柄使齒輪在軸上作滑移運(yùn)動(dòng)，與軸上的不同齒輪嚙合，以獲得不同的轉(zhuǎn)速?？紤]到整個(gè)齒輪較厚，采用中碳鋼難以淬透，生產(chǎn)中也可選用中碳合金鋼如40Cr，齒面經(jīng)高頻淬火提高表面硬度和耐磨性。其加工工藝路線(xiàn)為：下料一鍛造一正火一粗加工一調(diào)質(zhì)一精加工一齒輪高頻淬火及回火一精磨正火處理對(duì)鍛造齒輪毛坯是必須的熱處理工序，它可消除鍛造壓力，均勻組織，改善切削加工性。對(duì)于一般齒輪，正火也可作為高頻淬火前的最后熱處理工序。調(diào)質(zhì)處理可以使齒輪獲得較高的綜合力學(xué)性能，齒輪可承受較大的彎曲應(yīng)力和沖擊力，并可減少淬火變形。高頻淬火及低溫回火提高了齒輪表面硬度和耐磨性，并且使齒輪表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高了抗疲勞破壞的能力。低溫回火可消除淬火應(yīng)力，對(duì)防止產(chǎn)生磨削裂紋和提高抗沖擊能力是有利的。例2 載重汽車(chē)的變速齒輪 汽車(chē)變速箱中的齒輪主要用來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和主軸凸輪的轉(zhuǎn)速比，以改變汽車(chē)的運(yùn)行速度，其工作較為繁重，因此在疲勞極限、耐磨性以及抗沖擊等性能方面均比機(jī)床齒輪要求高，因此變速齒輪的材料大多選用合金滲碳鋼。圖5.2.7為解放牌汽車(chē)變速齒輪，采用20CrMnTi鋼，經(jīng)滲碳淬火處理及低溫回火后表面硬度為5862HRC，心部硬度為3045HRC，這種鋼具有良好的工藝性能，這對(duì)大量生產(chǎn)來(lái)說(shuō)極為重要。毛坯生產(chǎn)方法采用模鍛。20CrMnTi鋼經(jīng)鍛造及正火后，切削加工性較好，同時(shí)有良好的淬透性、過(guò)熱傾向小、滲碳速度快及淬火變形小等熱處理工藝性能。圖5.2.7為解放牌汽車(chē)變速齒輪具體加工工藝路線(xiàn)如下：下料一模鍛一正火一機(jī)械粗、半精加工(內(nèi)孔及端面留磨量)一滲碳(孔防滲)淬火、低溫回火一噴丸一校正花鍵孔一珩(或磨)齒正火是為了均勻和細(xì)化組織，消除鍛造應(yīng)力，獲得較好的切削加工性。滲碳、淬火及低溫回火是為了使齒面具有高硬度及耐磨性，而心部可得到低碳馬氏體組織，有高的強(qiáng)度和足夠的韌性。噴丸處理是一種強(qiáng)化手段，可使零件滲碳表層的壓應(yīng)力進(jìn)一步增大，有利于提高疲勞強(qiáng)度，同時(shí)也可清除氧化皮。5.2.3箱體機(jī)架類(lèi)零件的毛坯選擇箱體機(jī)架類(lèi)零件是機(jī)器的基礎(chǔ)件，這類(lèi)零件包括機(jī)身、齒輪箱、閥體、泵體、軸承座等，如圖5.2.8所示。圖5.2.8 箱體、機(jī)架類(lèi)零件由于箱體類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)形狀一般都比較復(fù)雜，且內(nèi)部呈腔形，為滿(mǎn)足減振和耐磨等方面的要求，其材料一般都采用鑄鐵。為達(dá)到結(jié)構(gòu)形狀方面的要求，最常見(jiàn)的毛坯是砂型鑄造的鑄件。在單件小批生產(chǎn)、新產(chǎn)品試制或結(jié)構(gòu)尺寸很大時(shí)，也可采用鋼板焊接毛坯。如圖5.2.9所示為泵體零件圖，材料為HT150，大批生產(chǎn)?？紤]到該零件是泵的支承件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，材料為灰鑄鐵，而且生產(chǎn)批量大等因素，選擇機(jī)器造型的砂型鑄造方法生產(chǎn)零件毛坯比較適宜。圖5.2.9 泵體零件圖復(fù)習(xí)與思考題51 常用的毛坯形式有哪幾類(lèi)？選擇毛坯應(yīng)遵循的基本原則是什么？52 影響毛坯生產(chǎn)成本的主要因素有哪些？根據(jù)不同的生產(chǎn)規(guī)模，如何降低毛坯的生產(chǎn)成本？53 軸類(lèi)零件的常用毛坯有哪幾種？生產(chǎn)實(shí)際中如何選擇？54 箱體機(jī)架類(lèi)零件的常用毛坯有哪幾種？生產(chǎn)實(shí)際中如何選擇？a) 車(chē)床進(jìn)給箱體，材料HT200，中批量生產(chǎn)55 試為下圖所示的零件選擇合適的材料和毛坯生產(chǎn)方式。b) 階梯軸，材料45鋼，小批生產(chǎn)c) 雙聯(lián)齒輪，材料40Cr，大批生產(chǎn)題55圖 232